Строительные исследования
страница - 0
Новый подход к акустической диагностике сверхкритических сред
Баграташвили B.H.(lbagrat@hotmail.com)(1,2), Дыхне А.М.(2),
ЖитневЮ.H.(zhitnev@kge.msu.ru)(1), Зосимов В.В.(го8оу@Ьпа.ги)(2),Лунин B.B.(vvlunin@kge.msu.ru)(1), Полиакофф М.(martin.poliakoff@nottinham.ac.uk)(1), Попов B.К.(popov@omega.laser.ru)(2), Тимофеев B.B.(timofeev@kge.msu.ru)(1)
(1) Химический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова, (2) Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН
Предложен и реализован новый подход к акустическому контролю состояния среды вблизи критической точки. Подход основан на анализе спектра акустических гармоник резервуара высокого давления, содержащего сжатый газ или жидкость. Данный метод диагностики не требует непосредственного контакта со средой акустического излучателя и приемника.
Введение
Бурное развитие новых химических технологий с участием суб - и сверхкритических сред (см., например, [1,2]) вызвало повышенный интерес к исследованию физики и химии различных веществ и их смесей вблизи критической точки. Как известно, при переходе через критическую точку (КТ) любая жидкость или сжатый газ испытывает фазовый переход 2-го рода. При этом физико-химические характеристики среды (сжимаемость, теплоемкость, теплопроводность, растворяющая способность и др.) испытывают аномальное поведение. При приближении к КТ значительно возрастают флуктуации плотности в среде (вследствие увеличения длины корреляции), что вызывает, в частности, явление критической опалесценции.
Не смотря на огромное количество работ, посвященных исследованию свойств сверхкритических сред (СКС), недостаточно полно изучены многие аспекты поведения среды непосредственно вблизи критической точки. К ним можно, в частности, отнести: нестационарный фазовый переход, роль
граничных эффектов и мелкомасштабных неоднородностей, асимметрия свойств среды в однофазной и двухфазной областях и др.
Акустические методы являются весьма эффективным инструментом исследования СКС. Так, метод время-пролетной акустики позволяет с высокой точностью определять параметры критической точки (давление Ркр и температуру Ткр) практически любых веществ и их смесей [3]. В тоже время, имеется много открытых вопросов, непосредственно связанных с акустикой СКС. Например, до сих пор нет объяснения аномального поглощения акустических волн вблизи КТ [4,5]. Вязкость не испытывает резкого скачка вблизи КТ, однако, поглощение очень велико [6].
В данной работе предложен и реализован новый подход к исследованию акустических свойств СКС вблизи критической точки. Традиционный метод акустической диагностики СКС состоит в измерении скорости распространения и затухания акустического импульса при его прохождении через среду [7]. При этом, источник и приемник акустических импульсов располагаются непосредственно в среде на определенном расстоянии друг от друга. Очевидно, что такой подход трудно реализуем в агрессивных средах (например, в сверхкритической воде). Кроме того, как правило, корректные измерения вблизи КТ затрудняет сильное ослабление акустической волны. В связи с этим весьма актуальным является разработка метода акустических измерений, в котором акустические датчики не соприкасаются непосредственно с СКС. В основе этого может лежать измерение акустического импеданса ультразвукового источника нагруженного на СКС через стенку реактора (автоклава) [8]. Однако, следует отметить, что чувствительность такого метода довольно низка. В новом подходе, предлагаемом и реализованном в данной работе, корпус реактора используется в качестве акустического резонатора, анализ спектра возбуждения которого производится с помощью специально разработанной программы. Определенные моды резонатора, возбуждаемые внешним акустическим источником, имеют амплитуды, зависимые от потерь в среде и, следовательно, чувствительные к ее параметрам.
Интенсивность акустического излучения в среду может быть оценена как
I = pcv](1)
где р -плотность, с- скорость звука в среде, vn -нормальная скорость колебаний поверхности резонатора. Мощность вязких сил на единицу площади поверхности определяется выражением
где р - сдвиговая вязкость среды, со -частота колебаний, vl -.скорость продольных колебаний поверхности.
резонатора, "нагруженного" на СКС. Пъезо-керамический передатчик возбуждается программируемой последовательностью частот с помощью цифро-аналогового преобразователя контролируемого персональным компьютером. Анaлого-цифровой преобразователь регистрирует амплитуду отклика приемника и значения давления и температуры. Результаты измерений записываются в файл. Разработанная компьютерная программа позволяет получать зависимости амплитуды сигнала от давления и температуры.
Эксперимент
Рис.1 демонстрирует схему установки, разработанную нами для автоматизированного измерения спектра возбуждения твердотельного
пк
цап
ацп
Излучатель
Приемник
Твердотельный
акустический
резонатор
- - ~ ..~- Датчик
~-~ ~ - ~ - скс " - ~-~ - - - - т -давления
С*
Термопара
Рис.1. Схема автоматизированной установки для акустического контроля среды.
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2]